第4章场效应管放大电路1ppt课件

1、第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路一、结型场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管二、绝缘栅型场效应管三、场效应管主要参数三、场效应管主要参数四、场效应管的特点四、场效应管的特点五、场效应管放大电路五、场效应管放大电路场效应三极管场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极性器件单极性器件(一种载流子导电一种载流子导电)； 输入电阻高；输入电阻高

2、；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。DSGN符符号号4.1结型场效应管结型场效应管一、构造一、构造图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管。沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管图图 1.4.2P 沟道结型场效应管结

3、构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区(N+)，导电沟，导电沟道为道为 P 型，多数载流子为型，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理 N 沟道结型场效应管用改变沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增

4、大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。1. 设设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源，在栅源之间加负电源 UGS，改变，改变 UGS大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ (a) UGS = 0UGS = 0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS = -UP=-UDG ，

5、耗尽层合拢，导电沟耗尽层合拢，导电沟被夹断，被夹断，UP为夹断电为夹断电压压 （负值）。（负值）。ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b) UGS 0，在栅源间加，在栅源间加负电源负电源 UGS，观察，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID 。GDSP+NISIDP+P+UDSUGSGDSNISIDP+P+UDS注意：当注意：当 UDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(a)(b)(b)UGS = 0，UDG ，ID 较较大。大。PU UGS 0，UDG ，ID 较较小。小。PUGDSP+NISIDP+P+UDSUGSUGS |UP|,ID 0,夹断

6、夹断GDSISIDP+UDSUGSP+P+(1) (1) 改变改变 UGS UGS ，改变了，改变了 PN PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 ID ID ，故称场，故称场效应管或电压控制型器件；效应管或电压控制型器件； (2)(2)结型场效应管栅源之间加反向偏结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使置电压，使 PN PN 反偏，栅极基本不取电流，因而，场效应管输入反偏，栅极基本不取电流，因而，场效应管输入电阻很高。电阻很高。(c)(c)(d)(d)考虑：为什么出现预夹段后，仍有电流，且考虑：为什么出现预夹段后，仍有电流，且ID恒定？恒定？三、特性曲线三、特性曲线1. 输出特性输出特性当栅源

7、当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 ID 与漏与漏源之间电压源之间电压 UDS 的关系，即的关系，即常数常数 GS)(DSDUUfIIDSS/VPUUUGSDSID/mAUDS /VOUGS = 0V-1 -1 -2 -2 -3 -3 VUp4预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区图图 4-4输出特性输出特性输出特性有四个输出特性有四个区：可变电阻区、恒区：可变电阻区、恒流区和击穿区、截止流区和击穿区、截止区。区。截止区截止区P沟道？2. 转移特性转移特性(反映了栅源电压对电流的控制作用反映了栅源电压对电流的控制作用)常数常数 D

8、S)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP图图 4-5转移特性转移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS = UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的时的 ID)夹断电压夹断电压 UP(ID = 0 时的时的 UGS)2GSDDSSPGS(1) (0)PUIIUUU当时 结型场效应管转移特结型场效应管转移特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：P沟道？场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据输场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据输出特性用作图的方法得到相应的转移特性。出特性用作图的方

9、法得到相应的转移特性。UDS = 常数常数ID/mA00.50.5111.51.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 00.4 V0.4 V0.8 V0.8 V1.2 V1.2 V1.6 V1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。绝缘栅场效应管。图图 4-6在输出特性上用作图法求转移特性在输出特性上用作图法求转移特性4.2绝缘栅型场效应管绝缘

10、栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为金属由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管，或简称导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1012 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1. 构造构造P 型衬底型衬底N+N+

11、BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 4-7N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图2. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷的多感应电荷的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷形成的导电沟道的状况，感应电荷形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS = 0(1)UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。种极性电压，总是不导

12、电。SBD(2) UDS = 0(2) UDS = 0，0 UGS 0 UGS UT)(UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UT， UGD UT P 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDUGSUDS夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSUGSUDSP型衬底型衬底N+N+BGSDUGSUDSP型衬底型衬底N

13、+N+BGSDUGSUDS夹断区夹断区UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a) UGD UT(a) UGD UT(b) UGD = UT(b) UGD = UT(c) UGD UT(c) UGD UT考虑考虑 随着随着UDS UDS 的增大，的增大，IDID如何变化？如何变化？ 为什么夹断后，还有电流？为什么夹断后，还有电流？3. 特性曲线特性曲线(a)(a)转移特性转移特性(b)(b)输出特性输出特性ID/mAUDS /VOTGSUU预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS 0，产，产生较大的漏极电流；生较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负

14、、零均可。零均可。ID/mAUGS /VOUP(a)(a)转移特性转移特性IDSS图图 4-12MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB(b)(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=03 V3 V1 V1 V2 V2 V432151015 20图图 4-11特性曲线特性曲线1.4.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UP3. 开启电压开启电压 UT4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效

15、应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于绝缘栅场效应管更高，一般大于 1012 。二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的的控制作用。控制作用。常数常数 DSGSDmUUIg单位：单位：ID 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极

16、之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。一般为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2. 漏源击穿电压漏源击穿电压 BUDS3. 栅源击穿电压栅源击穿电压BUGS 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，

17、若结处于反偏状态，若UGS BUGS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。3. 各类场效应管工作在恒流区时各类场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压间的电压极性极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS极性任意，沟道极性任意，沟道耗尽型，沟道，沟道增强型绝缘栅型，沟道，沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流

18、区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBUGSIDOUT表表 4-1各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS = UTUDSID+OIDUGS= 0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID /mAUPIDSSOIDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS= 0V+ +_ _IDUDSo o+ +双极型和场

19、效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较二、场效应管放大电路二、场效应管放大电路场效应管的特点：场效应管的特点：1. 场效应管是电压控制元件；场效应管是电压控制元件； 2. 栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高； 3. 一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及辐射影响小；辐射影响小； 4. 制造工艺简单，有利于大规模集成；制造工艺简单，有利于大规模集成； 5. 存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接地良好，防止

20、漏电击穿管子；地良好，防止漏电击穿管子； 6. 跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。1基本共源极放大电路基本共源极放大电路图图 2.7.3共源极放大电路原理电路共源极放大电路原理电路VDD+uOiDVT+ uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系b G , e S , c D 为了使场效应管为了使场效应管工作在恒流区实现放工作在恒流区实现放大作用，应满足：大作用，应满足：GS(th)GSDSGS(th)GS UuuUu图示电路为图示电路为 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管组成的放场效应管组成的放大电路。大电路。(UT

21、(UT：开启电压：开启电压) )二、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管静态工作点的设置方法 一、静态分析一、静态分析VDD+uOiDVT+ uIVGGRGSDGRD图图 2.7.3共源极放大电路原理电路共源极放大电路原理电路两种方法两种方法近似估算法近似估算法图解法图解法 ( (一一) ) 近似估算法近似估算法MOS 管栅极电流管栅极电流为零，当为零，当 uI = 0 时时UGSQ = VGG而而 iD 与与 uGS 之间近似满足之间近似满足2TGSDOD)1( UuIi( (当当 uGS uGS UT)UT)式中式中 IDO 为为 uGS = 2UT 时的时的值。值。2TGSQDODQ

22、)1( UUIIDDQDDDSQRIVU 则静态漏极电流为则静态漏极电流为 (二二) 图解法图解法图图 2.7.4用图解法分析共源极用图解法分析共源极放大电路的放大电路的 Q 点点VDDDDDRVIDQUDSQQ利用式利用式 uDS = VDD - iDRD 画出直流负载线。画出直流负载线。图中图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。即为静态值。2. 自给偏压电路自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU ，2GS(off)GSQDSSD)1 (UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路

23、形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？+VDDuOuIRgRdRsRL3分压分压自偏压式共源放大电路自偏压式共源放大电路一、静态分析一、静态分析( (一一) )近似估算法近似估算法根据输入回路列方程根据输入回路列方程图图 2.7.7分压分压 - 自偏式共源自偏式共源放大电路放大电路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+iUoU + + 2TGSQDODQSDQDD211GSQ)1(UUIIRIVRRRU解联立方程求出解联立方程求出 UGSQ 和和 IDQ。+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+iUoU图图 2.7.7分压分压 - 自偏

24、式共源自偏式共源放大电路放大电路列输出回路方程求列输出回路方程求 UDSQUDSQ = VDD IDQ(RD + RS)( (二二) )图解法图解法由式由式可做出一条直线，另外，可做出一条直线，另外，iD 与与 uGS 之间满足转移特性之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定 UGSQ， IDQ 。SDDD211SDGQGSRiVRRRRiUu + + SDDDRRV+ +根据漏极回路方程根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线，在漏极特性曲线上做直流负载线， 与与 uGS = UGSQ 的交点确定的交点确定 Q，由，由 Q 确定

25、确定 UDSQ 和和 IDQ值。值。UDSQuDS = VDD iD(RD + RS)3 uDS/ViD/mA012152 V105uGS4.5V4V3.5V UGSQ3 VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQSGQRUUGQ图图 2.7.8用图解法分析图用图解法分析图 2.7.7 电路的电路的 Q 点点二、动态分析二、动态分析),(DSGSDuufi iD 的全微分为的全微分为DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU + + 上式中定义：上式中定义：DSGSDmUuig GSDSDSD1Uuir 场效应管的跨导场效应管的跨导(毫西门子毫西门子 mS)。

26、 场效应管漏源之间等效电阻。场效应管漏源之间等效电阻。1. 微变等效电路微变等效电路二、动态分析二、动态分析如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。成为：成为：dSDSgsmd1UrUgI+ + 根据上式做等效电路如图所示。根据上式做等效电路如图所示。图图 2.7.5场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路+gsUgsmUgdsUdIDSrGDS由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。是一个受控源。是一个受控源。 gsmUg微变参数微变参数 gm 和和 rDS (1) 根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得

27、。根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。(2) (2) 用求导的方法计算用求导的方法计算 gmgmDDOGS(th)GS(th)GSGS(th)DOGSDm2) 1(2ddiIUUuUIuig在在 Q 点附近，可用点附近，可用 IDQ 表示上式中表示上式中 iD，那么，那么DQDOGS(th)m2IIUg一般一般 gm 约为约为 0.1 至至 20 mS。 rDS 为几百千欧的数量为几百千欧的数量级。当级。当 RD 比比 rDS 小得多时，可认为等效电路的小得多时，可认为等效电路的 rDS 开开路。路。2. 共源极放大电路的动态性能共源极放大电路的动态性能VDD+uOiDVT+ uIVGGRGSDGRD图图 2.7.6共源极放大电路的微变等效电路共源极放大电路的微变等效电路将将 rDS 开路开路gsiUU 而而DgsmDdoRUgRIU 所以所以DmioRgUUAu 输出电阻输出电阻Ro = RDMOS 管输入电阻高达管输入电阻高达 109 。 D+ gsUgsmUgoUdIDRGSRG+ iU二、分压式共源放大二、分压式共源放大电路动态分析电路动态分析微变等效电路入右微变等效电路入右图所示。图所示。图图 2.7.9图图 2.7.7 电路的电路的微变等效电路微变等效电路D+gsUgSmUgoUD